научная статья по теме КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СЕРДЕЧНИКОВ ИЗ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СКВАЖИННОГО МАГНИТОМЕТРА-ИНКЛИНОМЕТРА Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СЕРДЕЧНИКОВ ИЗ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СКВАЖИННОГО МАГНИТОМЕТРА-ИНКЛИНОМЕТРА»

УДК 620.179.14

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СЕРДЕЧНИКОВ ИЗ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СКВАЖИННОГО МАГНИТОМЕТРА-ИНКЛИНОМЕТРА

Ю.Г. Астраханцев, Г.С. Корзунин, А.Г. Лаврентьев, А.П. Потапов, Т.А. Шерендо, В.В. Шулика

Исследовано влияние различных видов термомагнитных обработок сердечников феррозондов из нанокристаллического сплава Fe735Cu,Nb3Sil3jB9 на характеристики первичных преобразователей скважинного магнитометра. Для контроля качества сердечников использованы информативные параметры эффекта Баркгаузена (скачкообразного изменения намагниченности материала). Показано, что для снижения порога чувствительности магнитометра оптимальной является термомагнитная обработка в высокочастотном магнитном поле, для улучшения эксплуатационных характеристик магнитометра — термомагнитная обработка в постоянном магнитном поле.

Параметры магнитометрической аппаратуры в первую очередь определяются характеристиками первичных преобразователей. Поэтому одним из способов совершенствования геофизической аппаратуры является использование новых магнитомягких материалов с улучшенными магнитными свойствами для первичных преобразователей. Нано-кристаллический сплав Fe73 5CU|Nb3Si|35B9, имеющий уникальные маг-нитомягкие свойства, высокую температурную и временную стабильность [1], является одним из материалов, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к свойствам сердечников первичных преобразователей.

В настоящей работе проведено изучение возможности использования нанокристаллического сплава Fe73 5Cu,Nb3Si13 5В9 с улучшенными магнитными характеристиками (путем термомагнитных обработок) в качестве сердечников феррозондов первичных преобразователей в скважинном магнитометре-инклинометре, работающем на второй гармонике [2, 3]. Контроль качества материала для сердечников феррозондовых датчиков проводился по рабочим характеристикам первичных преобразователей и средней за период эдс потока скачков Баркгаузена, выбранной в качестве информативного параметра эффекта Баркгаузена. Для характеристики работы феррозондовых датчиков были сняты зависимости коэффициента преобразования феррозонда от поля возбуждения и изучены собственные шумы первичных преобразователей.

Для получения информации о магнитной структуре исследуемого сплава был использован эффект Баркгаузена [4].

Аморфные ленты сплава Fe73i5Cu,Nb3Si13 5В9 толщиной 20 мкм получали методом закалки расплава на вращающийся диск. Сердечники феррозондов представляли собой полоски длиной 15 мм, шириной 0,4 мм, толщиной 20 мкм, а образцы для контроля магнитных свойств были в форме полос и тороидов: длина полос 100 мм, ширина 10 мм, толщина 20 мкм; внешний диаметр тороидов — 30 мм, внутренний — 25 мм.

Для получения нанокристаллической структуры сердечники и контрольные образцы отжигали в вакууме при 530 °С в течение часа [5].

Термомагнитную обработку (ТМО) проводили следующим образом: аморфный образец нагревали до 530 °С в продольном магнитном поле, выдерживали в поле при этой температуре 1 ч и охлаждали до комнатной температуры со скоростью 150 °С/ч. Термомагнитная обра-

ботка была совмещена с фазовым переходом сплава из аморфного в нанокристаллическое состояние. ТМО проводили в присутствии постоянного, переменного (/" = 50 Гц) и высокочастотного (/ = 80 кГц) магнитных полей. Необходимо отметить, что термомагнитная обработка в поле высокой частоты является аналогом ТМО во вращающемся магнитном поле [6].

Рис. 1. Функциональная схема стенда для исследования характеристик первичных преобразователей — феррозондовых датчиков:

/ — феррозонд; 2 — входной усилитель; 3 — фазовращатель; 4 •— полосовой фильтр 2-й гармоники; 5 — усилитель; 6 — синхронный детектор; 7 — фильтр нижних частот; 8 — резистор обратной связи; 9 — делитель частоты; 10 — интегратор; II — выходной каскад.

Измерения шумов феррозондов с сердечниками из нанокристалличе-ского сплава Ре735Си1КЬ3811з 5В9 для скважинного магнитометра, работающего по принципу измерения величины амплитуды второй гармоники, проводили на лабораторном стенде для исследований характеристик первичных преобразователей, функциональная схема которого представлена на рис. 1. Феррозонд при этом был помещен в четырехслойный магнитный экран.

На полосовых образцах контролировали изменения магнитных свойств после термомагнитных обработок: регистрировали статические петли гистерезиса и среднюю за период эдс потока скачков Баркгаузена 8 [7]. Визуально поток скачков Баркгаузена (СБ) наблюдался на экране осциллографа.

Дополнительно на тороидальных образцах были измерены статические петли гистерезиса и начальная магнитная проницаемость

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для изучения работы феррозондов с сердечниками из исследуемого нанокристаллического сплава, подвергнутого различным видам термомагнитных обработок, были сняты зависимости амплитуды выходного сигнала (вторая гармоника) феррозонда А2 от поля возбуждения Нт, представленные на рис. 2. В табл. 1 приведены магнитные свойства контрольных образцов сплава Ге7з5Си1№>з81135В9, полученных после тех же ТМО.

Из анализа полученных результатов следует, что максимальное значение величины выходного сигнала феррозонда Л2тах соответствует полю возбуждения Нт ~ 0,84 А/см для сердечника, прошедшего термомагнитную обработку в постоянном поле, при которой достигается макси-

мальное значение магнитной проницаемости цтах и минимальное значение коэрцитивной силы Нс (см. табл. 1), а для феррозондов с сердечниками после термомагнитных обработок в переменном и высокочастотном магнитных полях — полям возбуждения -1,03 и 1,22 А/см соответственно.

Рнс. 2. Зависимости амплитуды выходного сигнала феррозондового датчика А2 от поля возбуждения Нт при различных ТМО нанокристаллического сплава

Ре735Си|МЬз81а5В9:

ТО — термическая обработка при температуре 530 °С в течение часа; ТМО= — ТМО нанокристаллического образца в продольном постоянном поле; ТМО_ -— ТМО нанокристаллического образца в продольном переменном поле; ТМОнч — ТМО нанокристаллического образца в продольном высокочастотном поле.

Поскольку генераторы возбуждения первичных преобразователей скважинных магнитометров размещаются непосредственно в корпусе скважинного прибора и эксплуатируются в условиях температур, предельных для работы полупроводниковых приборов (120 °С и выше), с целью повышения надежности работы магнитометрической аппаратуры в производственных условиях целесообразно использовать феррозонды,

Таблица 1

Магнитные свойства сплава Ре715Си^,Ь,51| , 5В5 после различных обработок

Обработка и, Р- Нс, А/см

530 °С, I ч 39000 450000 0,007

ТМО= 34000 1200000 0,005

ТМО. 58000 950000 0,005

тмовч 76000 800000 0,005

имеющие наименьшее поле возбуждения. Из вышеизложенного следует, что в данном случае согласно полученным результатам наиболее подходящим материалом для сердечника феррозонда является нанокристалли-ческий сплав, прошедший ТМО в постоянном магнитном поле (см. рис. 2).

Наиболее важным фактором работы первичных преобразователей скважинного магнитометра является уровень собственных шумов фер-

Рис. 3. Шумы феррозондовых преобразователей, сердечники которых проходили различную ТМО (время записи 20 мин).

розондов, влияющий на одну из основных метрологических характеристик прибора — порог чувствительности. Актуальность этого особенно проявляется при измерении вариаций магнитного поля Земли в опорно-параметрических скважинах и в условиях геофизических обсерваторий, при геофизических исследованиях сверхглубоких скважин.

На рис. 3 представлены шумы феррозондов с сердечниками из нано-кристаллического сплава Ре7з5Си1НЬз51,з5В9 после ТМО в постоянном (ТМО=), переменном (ТМО_) и высокочастотном (ТМОвч) магнитных полях. Из анализа графических данных следует, что ТМО в переменном магнитном поле снижает амплитуду шумов по сравнению с ТМО в постоянном магнитном поле. Отметим, что после отжига без поля амплитуда шумов очень высокая: -50 нТл (на рис. 3 собственные шумы сердечника феррозондового датчика после отжига без поля не представлены). Как следует из полученных результатов, для исследуемого в настоящей работе нанокристаллического сплава наименьший уровень собственных шумов феррозонда соответствует высокочастотному режиму обработки ТМОвч.

Результаты компьютерной обработки измерений собственных шумов феррозондов после ТМО в постоянном, переменном и высокочастотном магнитных полях в виде среднеквадратичного отклонения (СКВО) при длине интервала измерений 20 мин приведены в табл. 2. Здесь же представлены значения средней за период эдс потока скачков Баркгаузена е нанокристаллических образцов, прошедших те же термомагнитные обработки. Видно, что ТМО в высокочастотном поле приводит к значительному снижению СКВО, что, по-видимому, обусловлено тем, что материал в магнитном отношении становится более гомогенным. Об этом же свидетельствует минимальное значение £ после ТМО в поле высокой частоты.

Таблица 2

Собственные шумы феррозондов после различных ТМО сердечников

Вид обработки СКВО. нТл е, мВ

ТМО- 17,60 72,5

ТМО. 20,15 45,0

тмовч 4,32 9,6

Примечание. Интервал измерений 20 мин.

Этот результат становится понятным из анализа рис. 4, на котором представлены осциллограммы огибающих амплитуд потока скачков Баркгаузена для нанокристаллического образца после ТМО в продольном постоянном поле и ТМО в продольных переменных полях (ТМО_ и ТМОвч). Распределение скачков Баркгаузена по величинам критических полей старта, приведенное на рис. 4, снято при величине внешнего поля перемагничивания Нт = 0,5 А/см и частоте перемагни-чивания 10 кГц с помощью накладного преобразователя [7], регистрирующего нормальную составляющую полей рассеивания испытуемого образца. В нанокристаллическом образце после ТМО в продольном постоянном поле на осциллограмме огибающих амплитуд потока СБ наблюдаются две области полей старта, что связано с наличием двух фаз с различными коэрцитивными силами: остатками аморфной фазы и появлением фазы а-Ре-Б! (рис. 4а). После ТМО в продольном переменном магнитном поле (рис. 46) в результате дестабилизации доменных гра

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком